Podręcznik

zakres podstawowy

FizykaPo prostu

SZKOŁY PONADGIMNAZJALNEZGODNYZ WYMAGANIAMI

od2015

147401_okladka.indd 1 2014-12-30 14:28:19

Autorzy: Ludwik Lehman, Witold Polesiuk

Podręcznik dopuszczony do użytku szkolnego przez ministra właściwego do spraw oświaty i wychowania i wpisany do wykazu podręczników przeznaczonych do kształcenia ogólnego do nauczania fi zyki, na podstawie opinii rzeczoznawców:mgr Teresy Kutajczyk, dr Barbary Pukowskiej, dr. Tomasza Karpowicza.Zakres kształcenia: podstawowy.Etap edukacyjny: IV.Typ szkoły: szkoły ponadgimnazjalne.Rok dopuszczenia 2012/2014.

Numer ewidencyjny w wykazie: 515/2012/2014.

Podręcznik wpisany do wykazu podręczników MEN dopuszczonych do użytku szkolnego, przeznaczo-nych do kształcenia ogólnego, dostosowanych do wieloletniego użytku (na podstawie art. 22ao ustawy z dn. 7 września 1991 r. o systemie oświaty).

© Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne sp. z o.o. Warszawa 2012

Wydanie II zmienione (2015)

ISBN 978-83-02-15131-6

Opracowanie merytoryczne i redakcyjne: Agnieszka Drzazgowska (redaktor cyklu, redaktor merytoryczny)Konsultacje: Grzegorz Koczan, dr Agnieszka KorgulRedakcja językowa: Agnieszka Czerepowicka, Milena SchefsRedakcja techniczna: Janina SobońProjekt okładki: Paweł RafaProjekt grafi czny: Katarzyna TrzeszczkowskaProjekt infografi k i wykonanie: Stefan DrewiczewskiOpracowanie grafi czne: Stefan DrewiczewskiFotoedycja: Ignacy SkładowskiSkład i łamanie: FPstudio, Stefan Drewiczewski

Zalecane wymagania systemowe i sprztowePodrcznik elektroniczny w formacie PDF otwierany na komputerach PC i MAC wymaga zainstalowania bezpatnego programu Adobe Reader (http://get.adobe.com/reader/); otwierany na tabletach i telefonach z systemem Apple iOS wymaga zainstalowania bezpatnego programu iBooks (do pobrania ze sklepu App Store); otwierany na tabletach i telefonach z systemem Android wymaga zainstalowania bezpatnego programu Adobe Reader (do pobrania z Google Play).

Pomoc techniczna: epomoc@wsip.com.plMateriay, do których masz dostp, nie mog by rozpowszechniane publicznie, nie mog by przedmiotem dalszego obrotu. Rozporzdzanie ich opracowaniem wymaga uzyskania zgody.

Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne spółka z ograniczoną odpowiedzialnością00-807 Warszawa, Aleje Jerozolimskie 96Tel.: 22 576 25 00Infolinia: 801 220 555www.wsip.pl

Publikacja, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

3S P I S T R E Ś C I

Od autorów ........................................................................................................................ 4 2Jak korzystać z podręcznika ................................................................................................. 5 2

1. F izyka atomowa

1 Przegląd fal elektromagnetycznych ................................................................................. 8122 Widmo promieniowania, promieniowanie termiczne i nietermiczne ............................... 15123 Budowa atomu, mechanizm emisji promieniowania ...................................................... 22124 Kwantowa natura promieniowania, foton ...................................................................... 29125 Promieniowanie atomu wodoru ................................................................................... 35126 Zjawisko fotoelektryczne ............................................................................................. 4112

Powtórzenie działu 1 ................................................................................................... 4812

2. F izyka jądrowa

7 Budowa jądra atomowego ............................................................................................ 54128 Energia wiązania jądra atomowego, defi cyt masy ............................................................ 58129 Promieniotwórczość naturalna ..................................................................................... 641210 Wpływ promieniowania jonizującego na organizmy ....................................................... 701211 Czas połowicznego zaniku, aktywność próbki ................................................................ 741212 Zastosowanie izotopów promieniotwórczych ................................................................. 791213 Reakcje jądrowe, rozszczepienie jąder ciężkich .............................................................. 861214 Reakcja łańcuchowa, masa krytyczna ............................................................................ 901215 Reaktor jądrowy, procesy zachodzące w reaktorze ........................................................... 941216 Reaktory jądrowe w gospodarce i nauce ......................................................................... 991217 Synteza jądrowa ......................................................................................................... 10412

Powtórzenie działu 2 .................................................................................................. 11012

3. Grawitacja i astronomia

18 O obrotach sfer niebieskich ......................................................................................... 1161219 Rewolucja kopernikańska i prawa Keplera .................................................................... 1221220 Układ Słoneczny ........................................................................................................ 1281221 Ruch po okręgu, siła dośrodkowa ................................................................................. 1381222 Prawo powszechnego ciążenia ..................................................................................... 1441223 Satelity ...................................................................................................................... 1501224 Wyznaczanie mas Słońca i planet ................................................................................ 1561225 Nieważkość i przeciążenie ........................................................................................... 1601226 Budowa Wszechświata ............................................................................................... 1661227 Ewolucja Wszechświata .............................................................................................. 17512

Powtórzenie działu 3 .................................................................................................. 18012

Odpowiedzi i wskazówki do zadań ..................................................................................... 18312Słowniczek pojęć z gimnazjum ......................................................................................... 19112Stałe fizyczne i astronomiczne .......................................................................................... 19412Indeks rzeczowy polsko-angielski ...................................................................................... 19512Obrotowa mapa nieba ....................................................................................................... 19612Źródła ilustracji i fotografii ............................................................................................... 19812

4

Fizyka. Po prostu. Ta niezbyt lubiana przez wielu uczniów dziedzina wiedzy pozwala zdobyć umiejętności kluczowe w dzisiejszym świecie: uczy uważnej obserwacji zjawisk, ich wyjaśniania oraz wyciągania wniosków. Te umiejętności przydadzą się każdemu, niezależnie od tego, kim chce zostać.

W pierwszej klasie szkoły ponadgimnazjalnej powinniście zakończyć podstawowy kurs fi zyki, rozpoczęty w gimnazjum. W ciągu tego roku szkolnego trzeba będzie zrealizować materiał z trzech działów fi zyki – bardzo interesujących, lecz dość odległych od codziennego doświadczenia: fi zyki atomowej, fi zyki jądrowej oraz grawitacji i astronomii.

My, autorzy tego podręcznika, jesteśmy nauczycielami. Dobrze wiemy, że nie wszyscy uczniowie chcą pilnie studiować fi zykę, choć jest ona tak ważna dla współczesnego świata. Staraliśmy się napisać książkę zrozumiałą również dla tych z Was, którzy nie przepadają za naukami ścisłymi. Żeby nie utrudniać lektury, nie umieszczaliśmy w tekście dodatków rozpraszających uwagę. Każdy rozdział podręcznika zakończony jest krótkim podsumowaniem, które ma ułatwić zapamiętanie najważniejszych rzeczy. Ci z Was, którzy bardziej interesują się fi zyką, znajdą w naszym podręczniku materiał poszerzający wiedzę na temat niektórych zagadnień. Pytania i zadania oznaczone gwiazdką mogą niektórym z Was wydać się trudniejsze. Pamiętajcie jednak, że to nauczyciel określa, które zadania powinniście rozwiązać i które fragmenty rozdziałów powinniście opanować.

Fizyka to przede wszystkim sztuka rzetelnej rejestracji faktów oraz poprawnego myślenia. Jeśli tak ją potraktujecie, czas poświęcony na jej naukę z pewnością nie będzie stracony!

Od autorów

5

Podręcznik składa się z trzech działów: fi zyki atomowej, fi zyki jądrowej oraz grawitacji i astronomii. Działy są podzielone na rozdziały. Funkcje symboli i wyróżnień zastosowanych w podręczniku przedstawiono poniżej.

Jak korzystać z podręcznika

W ten sposób oznaczono treści poszerzające wiedzę na temat omawianego zagadnienia

W tekście głównym wyróżniono przykłady obliczeniowe

ę przedstawiono poniżej.

Pod tematem wypisano

zagadnienia, które będą omawiane

w danym rozdziale

Niektóre pojęcia znane ci np.z gimnazjum przypomniano

w słowniczku pojęć znajdującym się na końcu

podręcznika

Najważniejsze nowe hasła wyróżniono

Na końcu każdego rozdziału zamieszczono podsumowanie, które zawiera najważniejsze informacje, oraz pytania i zadania obliczeniowe do danego rozdziału

6

4

Czy atomy wodoru mogą świecić w nadfi olecie? Czy można przewidzieć, jakie promieniowanie będzie przez wodór pochłaniane? Poziomy energetyczne atomu wodoru. Energie fotonów emitowanych przez wodór. Widmo wodoru

5

Co to jest foton? Czy światło jest falą, czy – strumieniem cząstek? Współczesne spojrzenie na naturę światła. Kwant promieniowania i jego energia

Do czego przydają nam się fale elektromagnetyczne, a do czego są niezbędne? W jaki sposób powstają i jaki mają wpływ na otaczającą nas rzeczywistość? Oddziaływanie poszczególnych rodzajów fal elektromagnetycznych z materią i ich obecność w różnych dziedzinach życia

1 1Jakie informacje niesie ze sobą światło? Skąd tyle wiemy na temat materii we Wszechświecie? Różne rodzaje źródeł światła oraz ich widma. Analiza widmowa jako jedna z metod uzyskiwania wiedzy o świecie

2

Jak zachowują się elektrony w atomie? Jakie procesy zachodzą w atomach, gdy te atomy świecą? Budowa atomu a układ okresowy pierwiastków. Poziomy energetyczne atomu. Mechanizm emisji i pochłaniania promieniowania

3

7

Materia, która nas otacza, zbudowana jest z atomów. Chociaż atomy są tak małe, to procesy zachodzące wewnątrz nich i między nimi skutkują tym, co widzimy na co dzień. Dzięki odkryciu świata atomowego możliwe stało się wyjaśnienie wielu zjawisk obserwowanych w przyrodzie, jak choćby świecenie robaczka świętojańskiego czy fantastyczne kształty płatków śniegu. Dzięki odkryciom dokonanym w tej dziedzinie mamy lasery, telewizory plazmowe, mikroprocesory, czujniki ruchu czy wreszcie cyfrowe aparaty fotografi czne. Ale nie mniej ważne jest to, że poznanie procesów zachodzących w atomach pogłębia naszą wiedzę zarówno o nas samych, jak i o całym Wszechświecie.

Organizmy transgeniczne są wytwarzane w celu uzyskania pożądanych właściwości, których wcześniej nie miały – na fotografi i transgeniczna róża, o niespotykanej w naturze barwie.

9

Fizykaatomowa

6Na czym polega mechanizm elektryzowania ciał przez promieniowanie? Czy z Einsteinem należy wiązać tylko teorię względności? Zjawisko fotoelektryczne jako potwierdzenie teorii kwantów. Fotoelementy w naszym życiu

OOOOOOOOOOOOOOOOOrOrOrOOOOOOrOrOrOrOrOOOOOOrOrOOOOOOOOOOOOrOrOOOOrOrOrOrOrOOOOOOrOrOOOOrOrOrOrOOOOrOrrOOrOrOrOOrOrOrOOOOrOOrrgagagagagagagagagagagagagagagagagagaagaggagagagaggaagagagaagagaagagagagaggagaggagaggggggggggggg nininininininininninininininnnininininininininininininininininninniinnnnnnnn zmzmzmzmzmzmzmzmzmzmzmzmmmzmzmzmzmzmzmzmmzmzmzmmmmmzmmmmmmmmzzmzmmmmzmzmzmmmzmmmmzmmmzmmmmmmmmzmmmzmmmmmmmmmzmmmmmmmmmy y yy y y y y y yyy y yyyyy y yy yy yy yy yyy yyyyyyyy yyyyyytrtrtrtrtrtrtrtrtrtrtrtrttrtrtrtrttrtttrttttrtrttttrrtrrtrttrt ananananananananananananananananaananannananannanaananananananaannannnansgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsggsgsgsgsgsggsgsgsgsgsgsggsgsgsgsgsgsggsgggenenenenenenenenenneneneneneneneneneeeneneneeeeneeeenenenneennennenene icicicicicicicciciciciciciciciciiciciciciciciiciciccicicciccicciciciccccicccicccccciccciciccccccccciccccccccccccccccccznznznznznznznznznznzznznznznznznnznznznznnznznznznznznznznzznznznznznnnnznnznzne eee ee eeeee eee eeee eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee sąsąsąsąsąsąsąsąsąsąsąsąsąsąsąsąsąssąsąsąsąsąąssąsąąąsąsąsąąąsąsąąąąąsąąąsssąąąsąąąąsąąąąąąąąsssąsąąąsąąąąąsąąąąąąąąąąsąsąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąąwywywywywwywywywywywywywywywywywywwywwywywywywywywywywwywywywywywwwyyywwyywywyytwtwtwtwtwtwtwtwtwtwtwtwtwtwtwtwtwtwttwtwtwtwtwtwtwtwtwtwtwttwtwtwtwtwwwarararararararararararararararararararararaarrararararrarararaaaaraararararrrrrararrrrarzazazazazazazazzzazazazaazazzzazazaaazazazzazazazazaaaaaazaaaaaazzzazaaaaaaazzazazaaaaaazaazazaaaazaaaaaaaaaaaaaaaaazaaaaaaaaaaaaazaaaaaaaaaazzaazaaaazzzzaaaazzzzaaaazzzazaaazzzzaaaaannnnnneneneneneneneeenenenennnneneneneneeneeennnnnnnneeeeeeennnnnnnnnneeeneeennnnnnnnneeeeenennnnnnneeeennneeenennenenenenneneeenneenennnneneennneeennnnnnne wwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww cccccccccccccccccccccccccccccccccccccccceeeeeeeleeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee uuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuzuzuzuzuzuzuzuzuzuzuzuzuzuzuuzuuzuzuzuzzzuzuzuzuzzzzzzuzuzuzzzzuzuzzzzuzuzzzzzzuzzzuuuzzuzzuzuzuuzzuuuuuzuzuuuuuzuuuuuzzuuzzuuuuuuuuzu ysysysyysyssysysysysysysysyysysyssysysyyyysysysysysysyysysysysysysyssyyyssysyysysyysssyyy kkkkkakakakakakakakaakakakakakkkakakakakakakakakkakakakakkakkakakakakakakakkkakakkaakakkakakkak ninininininininininininininininninininininininininnininininininnininnininnnnniininnnn aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa popopopopopopopopopopopopopopopopopopoopopopopopopopoopopopopopoopopoopoppopoopopopopopoppooooopopoopoopopopppp żążążążążążążążążążążążąążążążążążążżążąążżążążąążążążążżążążążążąążążążążążążążąążżążążążążżążżżążążążżążążążąąddadadadadddaddadadadadaaddaddaddadaddadadadadaddadaadadaddadadadadaaadadaaadadadaaadaaaadaaaaadaaadaaaadaadadaaadaannnynyyyyyyyyyyyyynnyyyyynyyyyynnynynyyyyyynyyyynyyyyyyyyyynyyynyyyynynnyynnyyyynnyyyynynyyynyyynyynyyynyyyyyyyyyyyychchcchchcchchchchchchchchchchchchchhchchchchchchchchchchchchchchchchhchchhchhchhchchchchchchcccchchhchhchchhhwłwłwwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłwłłwłwłwwłwłwłwłwłłwłwłwłwłwłwłłwłłłłwwwłww aśaśaśaśaśaśaśaśaśaśaśaśaśaśaśaśaśśaśaśaśaśaśaśśaśaśaśaśaśśśaśaśaśśaaaaśśaśaaaaśa cciciciciciciciciciciciicicciciciciciciiciciciciciciccicciciciicccciiiccicciwwowowowowowowowowowowowowowowowowowowowowowwowowowowowowowowowoowowowowowowwoowowowoowwoowwwwowwwoowwowoowww ścścścścścścścścścścścścścścścścśccścścścścśśścścścścśśśścścścścścścśśśścśśśścśścśśśścśśśśścśśścśśścśścścśśśścśśccśśśśśśśśśśśśśśccccśśśccśśś i,i,ii,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,i,ii,i,ii,i,i,,i,i,i,i,i,i,i,i,iii,,i,i,iii,iiii,i,,,, kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkktótótótótótótótótótótótótótótótótótótótótótótótótótótótótótótóóótótóótttótótótótótótótótótttóttótóttótóttótótórrrrryrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrryrrrrrrrrrrrrryyrrrryrrryyrryrryrrrrrryyyyyyccccchchchchchchchhhchchhcchhhhchhhchchhchchhchccchhhchhhccchchchcchchhchchcccchhccchhhchccccchhhhchhhhhhchhhhhhcchhchhhhcccchhcccccchcccchcccchhcchchccccchcccchccch wcwcwwwcwcwcwcwcwcwccwcwcwcwcwcwcwwwcwcwcwcwcwcwcwcwwcwcwcwcwwcwwcwcwcwwccwwwcwwwwwcwwwccwwcwcwwcwcwwwwccwcczezezezezezezezezezezezezezezezeezezezezezezezezezzeezeeezezezezeeeezezezezeezzezeezeezzeeeśnśnśnśnśnśnśnśśnśnśnśnśnśnśnśnśnśnśśnśnśnśnśnnśnśnśnśnśnśnśśśśśnnśnśnśnnśnśnśnśnśnśnśśnnśnnśśnnnnnnnśnieieieieieieieieieieieieieieieieieieieeieieieieieieieieieieieieieieieeieieeieiieeieieeieeieeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeejj jjj j jjj j j j j j jjjjj jjjj jj j j jjj jjj jj jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj nnninininninininiinininininininninininninnninnininninininininnniniinnnniniinniiiiinniiiinnnninnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnninnnnnnnnnieeee e eeeeeeeeeeeeee eeeeeee ee ee e eeee eeeeeeee eeeeeeeeeeeeee mimimimimimmmimmimimimimimimiimimimmimimimimmimimimimimimimiimmmimimimmimimiimimimmiimmmimmmimimmimimmm aaaaaaałaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaałaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaałaaałaaałaaałaaałaaa yyyy yyyyyy y y yyyyyyyyy y y yyyyy yyyyyyyyyyyyyyyy yyyyyyyyyyyyyyy yyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy–––––––––––––––––––––––––––––– nananananananannnanananananananananannannnananaanaaanannanaaanananannannnaananannnnnanannnnnnnananannnnnananannnnnnannaaananannananaa ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffototototototototototototototototototototototototototototototototototototoottotottotottotototttototototttttto ogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogogoogogogogogogggggogogooggogoggogogogggogggrararararararaaraararararararrraraaararararrrararaarrrraarararrraraaarrrrrarraaaaaararrrraaarrrrrrrrrrrrrarrrrarrrarrrrararrrrrrrar fi fi fififi fifi fi fifi fi fi fififi fifi fi fififififififi fifififi fififififi fi fififififi fififififififififi fififififififififiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiitrtrttrtrtrtrtrtrtrrtrtrtrtrttrtrrtrtrtrtrtrttrtrtrtrtrtrrtrtrtrrrtrtrrrtrrrttrtrttrrrtranananananananananananananananananaanananaananananananannananananananaaaananaanaaanananananaanaannaaaananansgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgssgsgsgsgsgsgsgsgsggsggsgsgsggsggsgsgsggsggsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsgsggsgggggsgsgsgsggggggeneneneneneenenenenenenenenenneeneneneeneneneneneneneneneneneneneneneneneneneneenenenneeneneeeeneneneenennenniciciicicicicicciciciciciciiciciciciciciciciciciccicicicicccciciciiciciciicicicccciccicciiciccicccznzznznznznzznznznznznznznznznzznznznzznznznnznznznzznznnznnzznzzzzzznnnzzznznznzzznnznzzzzznnzzznzzznzzzznzzzzzzznzzzzznzznzzzzznnna aa a a aaaaaaaaaaa aaaaaaa aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa rórórórórórórórórórórórórórórórórórórróróróóróóróóróróóróróróróróróróróróóróróóóórrróóróóóóórrrróróóóóóżżżżżżżżżżażżżżżżżżżżżżżżżżżżżżaaaaaażaaaaaaaaaażżaaaaaażaaaaaaaaażaaaażaaaaaażaaaażżaażżżaaaażżżaaaaaaażaaaażżżżaaaaaaaaaażżżżżaaaaaażżżżżażżżżaażżżżaa,,,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,, oo o o oo ooooooooooooo ooooooo ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooninininininininininininininininininininniininnininniinininninininnininiiininininnininninnniniininiiinnn eseseseseseseseseseseseseseseseeseseseseseseseseseseseesseseseseeseseseseseseeseeeseseseese ppopopopopopopopopopopopopopopopopopopopopopopopopopopopopopoppopopopopopoopopopopopopopopopopppoopopopopppooopopp tytytytytytytytytyytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytytyytytytytytytyyyytyttyyttyytytytytytytyytyyyyyyyyyyyyyyyyyyyykakakkakkakakkakkakakakakakakakakakakakakkakakakaakakkakakkakkakkkkakakakakkaakakaakkkakakkakaakakaaaakakaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaakakaaaaaakaaaaaaaaaaaaaakaaaakakaaaaaaakaaaaaaaaaakkkaaaaaaakkkkaaaaaakkkkkaaaaaakkkkkkkaaaakkaanenenneneennnneeeennnnnnnnneeeeneeennnnnnnnnnnnneeneennnnnnnnneeenennnnnnnnnnneeennnnnnnnnnneennnnnnnneneeennnnenneeennneeeennnennenenneeneej jjj jj j j jj jj jj j jjjjjjjjjjjjjjjj jjj j j jjj j j jjjjjjjjj jjjjj jjjj w wwwwww w wwwww w wwww wwwwwwww wwwwww wwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwnanannanananananananananananananananananannanannanannananaananaanananannanananananannnaaaaaaaaanaaaaannaaaaaaaaaaananaaannnnannnnnaannnnnnnnnnnnnatututututututututututututtttuutututututtututututututututttuttuututtututuuuuutuuuuuututtutuuututttttuttttttutttttututtttuuttuttuuutttuuutuurzrzrzrzrzrzrrzrzrzrzrzrzrzrzrzrzzzrzrzrzrzrzrzrzrrzrzrzrrzrrzrzzrzrzrrrzrzzzrzrzrrzrzzzrzzzzrrzrrrzee ee eeeeeee e e eeee eee eeeee eeeeeeeeeeeeeeeeeee eee bababbabababababababababababababababababababbabaabababababaabbababababababababbababababbbababbabbaaabbbbbabaabb rwrwrwrwrrwrwrwrwrwrwrwrwrwrwrwrwrrrwrwrwrwrwrwrrwrwrwrwrwrrrwrwrrrwwrrrrwrwrwwrrwwrwrwrwrwwwwrwrwrwrrwrwrwwrwwwrwrrwwrrwrwwwwwrwiieieieieieieieieieieieieieieieieieieieieieieieieieieieieiieieieieeieeieeieieeeieieeieeeeeiee...............

Na czym polega mechannizm elektryzowaniaciał przez promieniowannie? Czy z Einsteinemnależy wiązać tylko teoriię względności? Zjawisko fotoelektrycznee jako potwierdzenie

M

FIZYKA. PO PROSTU | DZIAŁ 1

8

DZIAŁ 1 | ROZDZIAŁ 1

FIZYKA ATOMOWA8 FIZYKA ATOMOWA8 FIZYKA ATOMOWA8 FIZYKA ATOMOWA

ZAGADNIENIA▪ Powstawanie fali elektromagnetycznej ▪ Właściwości różnych fal elektromagnetycznych

1 Przegląd fal elektromagnetycznych

Jesteśmy otoczeni promieniowaniem. To fale radiowe, z których korzystasz, oglądając telewi-zję, promieniowanie podczerwone, które skrzętnie wykorzystujesz, wystawiając w marcu twarz do słońca, bo przyjemnie ciepło, czy wreszcie światło, dzięki któremu orientujesz się w przestrzeni. To także promieniowanie nadfioletowe, które przyciemnia twoją skórę w czasie wakacji, i promieniowanie rentgenowskie, niekiedy niezbędne do postawienia precyzyjnej dia-gnozy lekarskiej. Wszystkie te rodzaje promieniowania oraz mikrofale i promieniowanie γ (gamma) mają tę samą naturę. Są to fale elektromagnetyczne, których pewne właściwości znasz z gimnazjum. Powtórzenie i uzupełnienie informacji na ten temat pomoże ci lepiej zrozumieć kolejne zagadnienia poruszane na lekcjach fizyki.

POWSTAWANIE FALI ELEKTROMAGNETYCZNEJFala elektromagnetyczna to rozchodzący się w przestrzeni szereg zaburzeń pola elektrycznego i związanego z nim pola magnetycznego. Te zaburzenia rozchodzą się z bardzo dużą prędko-ścią, równą 300 000 km/s, czyli z prędkością światła. Gdy w obszarze, w którym rozchodzi się fala, znajdą się ładunki elektryczne, to będzie na nie działać siła powodująca ich drgania.

Źródłem fali elektromagnetycznej może być prąd zmienny płynący w przewodniku. Nawet drgający, poruszający się tam i z powrotem ładunek elementarny, czyli najsłabszy z możliwych prąd elektryczny, jest źródłem fali elektromagnetycznej. To właśnie sprawia, że w przyrodzie znaj-dziemy ogromną liczbę obiektów emitujących fale elektromagnetyczne. Materia na Ziemi zbudo-wana jest z atomów, których składniki obdarzone ładunkiem są w ciągłym ruchu i tym samym

mogą emitować fale elektromagnetyczne. Zdecydowana większość materii w dalekim kosmosie to jony, czyli cząsteczki, które mają ła-dunek elektryczny. One również są w ciągłym ruchu, więc są źró-dłem fal elektromagnetycznych, które docierają także do Ziemi.

Do opisu fal elektromagnetycznych używamy wielkości znanych już z gimnazjum: często-tliwości i długości fali. Częstotliwość fali f to liczba zaburzeń mijających dany punkt przestrze-ni w ciągu sekundy. Długość fali λ określa odległość między dwoma kolejnymi zaburzeniami. Te dwie wielkości związane są ze sobą zależnością: (1)

gdzie c = 3 · 108 m/s jest prędkością światła w próżni.

Drgające ładunki elektryczne są źródłem fal elektromagnetycznych.

λ · f = c

999

FIZYKA. PO PROSTU | DZIAŁ 1

PR ZYKŁ AD

Wielu kierowców samochodów ciężarowych w czasie jazdy informuje się wzajemnie o warunkach panujących na drodze przez CB-radio. Jest to urządzenie, za pomocą którego można nadawać lub odbierać fale elektromagnetyczne niosące odpowiednio zakodowaną informację. CB-radio podczas nadawania wytwarza w antenie zmienny prąd elektryczny, który jest źródłem fali elektromagnetycznej o długości 11 metrów. Oblicz częstotliwość prądu płynącego w antenie.

Częstotliwość prądu elektrycznego płynącego w antenie jest równa częstotliwości fali elektromagnetycznej, którą on wytwarza. Wiemy, że fala radiowa rozchodzi się z prędkością światła. Możemy zatem obliczyć częstotliwość, korzystając z przekształconej postaci wzoru (1):

Podstawiamy dane:

Częstotliwość zmian prądu elektrycznego płynącego w antenie wynosi 27 MHz, co oznacza 27 milionów zmian w ciągu każdej sekundy. Aż trudno to sobie wyobrazić.

RODZAJE I WŁAŚCIWOŚCI FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCHSkutek oddziaływania fal elektromagnetycznych z materią zależy od ich częstotliwości. Właśnie dlatego fale te znalazły różne zastosowania i nadano im różne nazwy. Na rycinie 1.1 poszczególne rodzaje fal elektromagnetycznych powiązano z częstotliwością i długością fali.

Fale radiowe to fale elektromagnetyczne o najmniejszych częstotliwościach. Ich źródłem jest przemienny prąd elektryczny. Prąd przemienny charakteryzuje się tym, że płynie raz w jed-ną, raz w drugą stronę. To znaczy, że elektrony w przewodniku w sposób zsynchronizowany poruszają się ruchem drgającym, z częstotliwością równą częstotliwości prądu. Fale elektroma-

c f = ——

λ

m 3 · 108 — sf = ————— = 0,27 · 108 Hz = 27 MHz 11 m

Ryc. 1.1. Podział fal elektromagnetycznych. Zwróć uwagę na to, że skala nie jest liniowa – na osi zaznaczono kolejne potęgi liczby 10.

PRZEGL ĄD FAL ELEKTROMAGNET YCZNYCH

3·10

21

3·10

22

3·10

5

3·10

6

3·10

7

3·10

8

3·10

9

3·10

10

3·10

11

3·10

12

3·10

13

3·10

14

3·10

15

3·10

16

3·10

17

3·10

18

3·10

19

3·10

20

λ (m)

f (Hz)

102103 10 1 10–1 10–2 10–3 10–4 10–5 10–6 10–7 10–8 10–9 10–10 10–11 10–12 10–13 10–14

podczerwień promieniowanie rentgenowskie

nadfi olet

promieniowanie gammamikrofale

fale radiowe

światło

10

DZIAŁ 1 | ROZDZIAŁ 1

FIZYKA ATOMOWA10 FIZYKA ATOMOWA10 FIZYKA ATOMOWA

gnetyczne w ten sposób wytworzone są w sta-nie wzbudzić analogiczny ruch elektronów w antenie odbiorczej. Układy elektroniczne wzmacniają sygnał przekazywany przez fale i przekształcają go na informację dla nas zrozu-miałą. Dzięki falom radiowym przekazujemy informacje w postaci obrazu i dźwięku (telewi-zja, radio, telefony komórkowe itp.). W dale-kim kosmosie znajdziemy naturalne silne źró-dła fal radiowych. Astronomowie prowadzą „nasłuch” tych fal za pomocą specjalnych an-ten, zwanych radioteleskopami (ryc. 1.2).

Mikrofale wytwarzane są przez specjalne lampy elektronowe, w których częstotliwości zmian prądu elektrycznego są rzędu dziesiątek GHz. Fale o takich częstotliwościach bardzo dobrze rozchodzą się w powietrzu. Propagacji (czyli rozchodzenia się) tych fal nie ograniczają ani zanieczyszczenia powietrza, ani mgła. Dzięki temu mikrofale wykorzystuje się w radarach. Radar po wysłaniu kilku impulsów mikrofal przestawia się na odbiór fali odbitej. Zarówno z opóźnienia, po jakim wraca sygnał, jak i ze zmiany jego kształtu wnioskuje się o odległości, prędkości i rozmiarach namierzonych obiektów.

Na stronie internetowej Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej można znaleźć ob-razy radarowe chmur niosących opady deszczu nad Polską (ryc. 1.3).

Promieniowanie mikrofalowe o częstotliwości 2,45 GHz wyko-rzystywane jest w kuchenkach mikrofalowych. Ta częstotliwość odpo-wiada częstotliwości drgań cząsteczek wody. Mikrofale powodują wzmożony ruch cząsteczek wody zawartych w potrawach, dzięki cze-mu potrawy stają się gorące (przypomnijmy, że im szybciej poruszają się cząsteczki tworzące dane ciało, tym wyższa jest jego temperatura).

Promieniowanie podczerwone emitowane jest przez ciała ciepłe i gorące. Cząsteczki obda-rzone ładunkiem elektrycznym, z których zbudowane są ciała stałe i ciecze, są w ciągłym ruchu (np. drgające jony sieci krystalicznej w ciałach stałych lub jony w cieczach). Każda cząsteczka jest zatem źródłem fali elektromagnetycznej o częstotliwości odpowiadającej częstotliwości jej drgań. Podczerwień powoduje nagrzewanie się powierzchni ciał, na które pada, gdyż częstotliwości fal z tego zakresu odpowiadają częstotliwościom drgań cząsteczek ciał stałych i cieczy. W tej sytuacji cząsteczki bardzo chętnie pochłaniają energię niesioną przez falę. Takie zjawisko nazywa-my rezonansem.

Dzięki podczerwieni jest nam ciepło, gdy siedzimy przy ognisku. W wyniku pochłaniania podczerwieni dochodzącej ze Słońca nagrzewa się powierzchnia Ziemi. Co ciekawe, promie-niowanie podczerwone nie ogrzewa gazów, gdyż cząsteczki gazów są elektrycznie obojętne.

Fale radiowe służą do przekazywania informacji.

Ryc. 1.2. Radioteleskop w Piwnicach koło Torunia. Czasza tego radioteleskopu ma średnicę 32 metry.

Mikrofale znalazły zastosowanie m.in. w radarach i kuchenkach mikrofalowych.

11

FIZYKA. PO PROSTU | DZIAŁ 1

1111PRZEGL ĄD FAL ELEKTROMAGNET YCZNYCH

Gdy astronomowie robią zdjęcia w podczerwieni, są w stanie zoba-czyć rodzące się gwiazdy ukryte w mgławicach, czyli ogromnych obłokach gazu i pyłu (ryc. 1.4).

Ryc. 1.3. Mapa radarowa chmur deszczowych nad Polską. Im większa jest zawartość wody w chmurach, tym silniejsze jest echo radarowe; stąd można wnioskować o intensywności opadu.

Promieniowanie podczerwone ogrzewa obiekty, na które pada.

Ryc. 1.4. Fragment mgławicy w gwiazdozbiorze Oriona. Zdjęcie (a) zostało wykonane w podczerwieni i ujawnia młode gwiazdy, które na zdjęciu w promieniowaniu widzialnym (b) są zasłonięte przez gaz.

a b

Źródło: IMGW